중등 수학과학 영재를 위한 피지컬컴퓨팅 교육이 융합적 역량 향상에 미치는 영향 The Effect of Physical Computing Education to Improve the Convergence Capability of Secondary Mathematics-Science Gifted Students원문보기
본 연구는 아두이노 로봇 조립 및 보드 연결과 프로그래밍 협력학습이 중등 수학과학 영재 학생들의 융합적 역량 향상에 미치는 영향을 알아보고자 하였다. 또한, 학습기기, 조립, 실험, 프로그래밍이 결합된 컴퓨팅 사고(CT) 기반의 융합학습에 대한 학생들의 흥미와 역량 향상과의 상관관계도 알아봄으로써 수학과학 영재를 대상으로 한 CT 융합교육의 가능성을 알아보고자 하였다. 연구 결과로 대인관계능력, 정보과학적 창의성 및 통합적 사고 성향이 향상됨을 알 수 있었다. 각 사고력의 하위 요소들 간의 상관관계를 분석하여 보면, 문제해결을 위한 지속성과 상상력, 정보과학적 흥미, 개방성, 모험심, 논리적 태도, 의사소통, 생산적 회의성 등이 학습에 중요한 요인으로 추출되었다. 따라서, 학생들이 문제를 해결하는 학습과정에서 여러 가지 사고 활동이 이루어지며, 이러한 학습의 결과로 융합적 역량도 유의미하게 향상되는 것을 알 수 있었다.
본 연구는 아두이노 로봇 조립 및 보드 연결과 프로그래밍 협력학습이 중등 수학과학 영재 학생들의 융합적 역량 향상에 미치는 영향을 알아보고자 하였다. 또한, 학습기기, 조립, 실험, 프로그래밍이 결합된 컴퓨팅 사고(CT) 기반의 융합학습에 대한 학생들의 흥미와 역량 향상과의 상관관계도 알아봄으로써 수학과학 영재를 대상으로 한 CT 융합교육의 가능성을 알아보고자 하였다. 연구 결과로 대인관계능력, 정보과학적 창의성 및 통합적 사고 성향이 향상됨을 알 수 있었다. 각 사고력의 하위 요소들 간의 상관관계를 분석하여 보면, 문제해결을 위한 지속성과 상상력, 정보과학적 흥미, 개방성, 모험심, 논리적 태도, 의사소통, 생산적 회의성 등이 학습에 중요한 요인으로 추출되었다. 따라서, 학생들이 문제를 해결하는 학습과정에서 여러 가지 사고 활동이 이루어지며, 이러한 학습의 결과로 융합적 역량도 유의미하게 향상되는 것을 알 수 있었다.
Our study is composed of Arduino robot assembly, board connecting and collaborative programming learning, and it is to evaluate their effect on improving secondary mathematics-science gifted students' convergence capability. Research results show that interpersonal skills, information-scientific cre...
Our study is composed of Arduino robot assembly, board connecting and collaborative programming learning, and it is to evaluate their effect on improving secondary mathematics-science gifted students' convergence capability. Research results show that interpersonal skills, information-scientific creativity and integrative thinking disposition are improved. Further, by analyzing the relationship between the sub-elements of each thinking element, persistence and imagination for solving problems, interest of scientific information, openness, sense of adventure, a logical attitude, communication, productive skepticism and so on are extracted as important factors in convergence learning. Thus, as the result of our study, we know that gifted students conducted various thinking activities in their learning process to solve the problem, and it can be seen that convergence competencies are also improved significantly.
Our study is composed of Arduino robot assembly, board connecting and collaborative programming learning, and it is to evaluate their effect on improving secondary mathematics-science gifted students' convergence capability. Research results show that interpersonal skills, information-scientific creativity and integrative thinking disposition are improved. Further, by analyzing the relationship between the sub-elements of each thinking element, persistence and imagination for solving problems, interest of scientific information, openness, sense of adventure, a logical attitude, communication, productive skepticism and so on are extracted as important factors in convergence learning. Thus, as the result of our study, we know that gifted students conducted various thinking activities in their learning process to solve the problem, and it can be seen that convergence competencies are also improved significantly.
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문제 정의
따라서, 본 연구에서는 수학과학영재의 흥미와 적성을 고려하여 과학적인 조립활동 및 적절한 난이도와 융합적 교육내용으로 구성함으로써 학습자의 융합적 역량을 향상할 수 있도록 구성하고자 한다.[6][7]8][9]
따라서, 본 연구에서는 수학과학영재의 흥미와 적성을 고려함과 동시에 정보과학적 내용을 난이도를 조절하여 학습내용을 구성하고자 하였다.
따라서, 본 연구에서는 위의 융합적 역량의 정의에 따라 대인관계능력 검사와 정보과학 창의적 성향 검사 및 통합적 사고 검사를 통해 피지컬컴퓨팅교육이 융합적 역량 향상에 미치는 영향을 알아보고자 한다.
본 연구는 영재의 적성에 맞게 실험과 조립을 많이 경험할 수 있도록 설계하였으며, 학생들의 흥미와 적성과 연결되어 적극적인 수업이 되었다고 볼 수 있을 것이다. 학생들은 학습에 사용한 아두이노 보드 및 실험 장치를 연결하는 것에 흥미를 가지고 있었으며, 프로그래밍에 흥미가 있는 학생일수록 더 적극적인 활동과 몰입을 보여 준 것을 알 수 있다.
본 연구에서는 미래의 창의융합형 인재 양성을 위하여 수학과학 영재를 대상으로 피지컬컴퓨팅 교육을 실시하였다. 팀별 협력학습으로서의 피지컬 컴퓨팅 교육이 수학과학 영재의 융합적 역량 향상에 미치는 영향을 살펴봄으로써 앞으로 다양한 특성을 지닌 학습자를 대상으로 한 융합교육의 가능성과 방향을 살펴보고자 한다.
본 연구에서는 미래의 창의융합형 인재 양성을 위하여 수학과학 영재를 대상으로 피지컬컴퓨팅 교육을 실시하였다. 팀별 협력학습으로서의 피지컬 컴퓨팅 교육이 수학과학 영재의 융합적 역량 향상에 미치는 영향을 살펴봄으로써 앞으로 다양한 특성을 지닌 학습자를 대상으로 한 융합교육의 가능성과 방향을 살펴보고자 한다.
제안 방법
셋째, 수업 중에 미션을 수시로 제시하였다. 간단한 실험 후에 좀 더 복잡한 장치를 구현하기전에 프로그램의 내용을 간단히 수정해 보며, 프로그램에 적응하는 연습을 하고, 다음으로 조금 더 복잡한 내용을 미션으로 제시하여 먼저 학습한 내용을 활용하여 구성하는 연습을 수행하도록 하였다.
3차시에는 협력학습으로 팀별로 역할을 나누거나 서로 도우며, 아두이노 자동차를 조립하고 블루투스 모듈을 테스트하고, 모터드라이브 보드를 결선하는 과정을 포함한다. 결선 후 각각의 모듈을 업로드하고 자동차를 작동하여 결선의 오류 또는 진행방향에 대한 관찰을 통해 수정작업을 하는 내용으로 구성되었다.
넷째, 수학과학 영재를 위한 융합형태의 과정으로 구성하고자, 조립한 자동차를 아두이노와 연계하여 프로그래밍으로 이어지도록 하였으며, 호기심을 유발하기 위해 스마트폰과 연동하는 주제로 선정하였다.
다섯째, 4차시로 구성되므로 너무 지루하거나 힘들면 학습에 대해 흥미를 잃을 수도 있으므로 최대한 기본적인 내용과 흥미로운 내용이면서도 중학교 3학년 영재를 대상으로 하므로 심화내용도 함께 구성하였다.
둘째, 실습이 끝나도 방과 후 학습을 계속할 수 있도록 고려하여 구성하였다. 아두이노 통합개발환경을 스스로 구축할 수 있도록 기본용어와 기초내용에 충실한 교육내용을 중심으로 구성하였다.
모터드라이브 보드와 모터에 연결된 선을 특히 주의해서 다루어야 하며, 모터드라이브 보드의 핀 이름을 잘 보고, 그 기능을 살펴보면서, 모터 및 아두이노 보드를 연결해 준다. 연결 후에는 모터 드라이브 보드 구동 프로그램을 업로드한 후 두 모터의 진행방향을 살펴본다.
본 수업은 중등 수학과학 영재들을 대상으로 하며 융합적 역량 향상에 초점을 맞추어 아두이노 보드를 제어하는 학습을 하였다. 수학과학 영재의 특성을 반영하여 학습자의 흥미를 유발하기 위하여, 간단한 조작으로 결과 확인이 가능한 LED 제어와 로봇 조립 과정을 두었다.
셋째, 더 많이 상상하고, 소통하며, 흥미롭게 탐구할 수 있도록 하되, 적당한 시간과 난이도를 고려한 단계적 학습내용으로 구성한다.
셋째, 수업 중에 미션을 수시로 제시하였다. 간단한 실험 후에 좀 더 복잡한 장치를 구현하기전에 프로그램의 내용을 간단히 수정해 보며, 프로그램에 적응하는 연습을 하고, 다음으로 조금 더 복잡한 내용을 미션으로 제시하여 먼저 학습한 내용을 활용하여 구성하는 연습을 수행하도록 하였다.
본 수업은 중등 수학과학 영재들을 대상으로 하며 융합적 역량 향상에 초점을 맞추어 아두이노 보드를 제어하는 학습을 하였다. 수학과학 영재의 특성을 반영하여 학습자의 흥미를 유발하기 위하여, 간단한 조작으로 결과 확인이 가능한 LED 제어와 로봇 조립 과정을 두었다. 또한, 영재의 특성상 심화단계로서 스마트폰으로 로봇 조정하는 주제로 구성하였다.
둘째, 실습이 끝나도 방과 후 학습을 계속할 수 있도록 고려하여 구성하였다. 아두이노 통합개발환경을 스스로 구축할 수 있도록 기본용어와 기초내용에 충실한 교육내용을 중심으로 구성하였다.
모터드라이브 보드와 모터에 연결된 선을 특히 주의해서 다루어야 하며, 모터드라이브 보드의 핀 이름을 잘 보고, 그 기능을 살펴보면서, 모터 및 아두이노 보드를 연결해 준다. 연결 후에는 모터 드라이브 보드 구동 프로그램을 업로드한 후 두 모터의 진행방향을 살펴본다. 전진을 하지 않고 후진을 하거나 한 쪽 방향으로만 돌아갈 경우, 모터의 선을 바꾸어 오류를 수정해 준다.
연구 분석 도구는 SPSS 21버전이며, 사전과 사후검사로서 대인관계능력, 정보과학 창의적 성향, 통합적 사고 성향 검사로 모두 3가지이다.
즉, 계산과 실험 및 조립 과정을 포함하면서 아두이노를 활용한 실험장치를 기초단계에서부터 심화단계까지 단계별 교육과정으로 구성하였으며, 주로 초·중급의 학습시간을 많이 두어 구성하였다.
첫째, 수학과 과학에 흥미를 갖는 영재의 특성에 맞추어 구성하였다. 즉, 계산과 실험 및 조립 과정을 포함하면서 아두이노를 활용한 실험장치를 기초단계에서부터 심화단계까지 단계별 교육과정으로 구성하였으며, 주로 초·중급의 학습시간을 많이 두어 구성하였다.
각 실험주제별 실험장치를 꾸민 모습은 <표 5>와 같다. 학생들이 간단한 실습부터 자동차 조립까지 서로 협력하여 활동하는 부분으로 구성하였다.
대상 데이터
본 연구는 K 대학교 부설 영재교육원의 중학교 3학년 수학과학 영재 9명을 대상으로 실시하였으며, 2015년 9월 둘째 주 토요일 4시간의 집중 수업을 통하여 학습한 내용이다. 수업운영은 2시간씩 이어서 하였다.
학습내용의 구성은 아두이노를 배운 적이 없는 것을 전제로 와 같이 4차시로 구성하였다.
데이터처리
검사 결과, 대응(종속)표본 t-검정을 통하여 사전과 사후 검사를 검증하여 학습 효과를 분석하였다[31].
학생들의 대인관계능력 검사를 대응표본 t-검정으로 사전 사후 검사 결과를 분석한 결과는 과 같다.
이론/모형
대인관계능력 검사는 이형득과 문선모(1980)의 검사를 사용하였다. 검사의 하위요소는 만족감(4), 의사소통(5), 신뢰감(3), 친근감(3), 민감성(2), 개방성(4), 이해성(4)의 7개 영역과 25개의 문항이며, Likert식 5점 척도에 따라 1점부터 5점까지 응답하도록 구성되었다.
정보과학 창의적 성향 검사는 진영학(2012)의 검사 도구를 사용하였다. 검사의 하위요소는 문제해결을 위한 상상, 정보과학에 대한 흥미, 과제몰입, 긍정성이며, 22문항과 Likert식 5점 척도에 따라 구성되었다.
통합적 사고 성향 검사는 강충열 외(2010)의 검사도구를 사용하였으며, 검사의 하위요소로는, 논리적 태도, 모험심, 문제해결 지속성, 독립적 몰입, 생산적 회의성이다. 모두 22문항으로 역시 5점 척도로 구성되었다[28][29][30].
성능/효과
각 검사의 분석 결과로 흥미도는 대인관계능력 검사의 사전 사후 검사 결과 모두와 상관관계가 높았으며, 와 같이 유의확률 0.05 수준에서 유의함으로 분석되었다.
종합적인 분석 결과, 개방성과 문제해결을 위한 상상, 생산적 회의성이 서로 상관관계가 높으며, 그 중심에는 문제해결을 위한 상상력이 있음을 알 수 있다. 또한 문제해결지속성과 정보과학적 흥미, 개방성, 문제해결을 위한 상상력도 서로 상관관계가 높은 것을 알 수 있다.
또한, 개방성에 관한 검사 결과는 의 결과와 같이 유의확률 .05수준에서 유의함으로 분석되었다.
또한, 아두이노 수업에서 조립 및 실험장치를 연결하는 것에 대한 흥미는 대인관계능력 구성요소 중 개방성과 관련이 깊고, 의사소통, 이해력, 만족감과 상관관계가 높은 것으로 분석되었다.
사전 통합적 사고와 사후 통합적 사고의 차이에 대한 통계적 유의성을 검증한 결과, t 통계값은 –3.980, 유의확률은 0.005로서 유의수준 0.01에서 피지컬컴퓨팅 프로그램 협력학습이 수학과학 영재학생들의 사전 사후 통합적 사고 향상에 유의한 차이가 있는 것으로 분석되었다.
셋째, 오픈소스와 C++ 라이브러리를 통해 확장 될 수 있으며, AVR 프로그래밍의 이해까지도 섭렵할 수 있다.
연구 결과, 실험에 사용한 도구를 비롯하여, 피지컬컴퓨팅 교육은 수학과학 영재 학생들의 대인관계능력과 정보과학 창의적 성향 및 통합적 사고 향상에 유의미한 영향을 주는 것으로 나타났다.
D에 해당하는 별팀은 조립을 가장 빨리 하였으나, 주로 혼자 독자적으로 수행하였다. 점퍼선과 보드 연결 및 프로그램 업로드 및 조정 작업을 주도적으로 하였던 C학생은 D학생과의 협력활동을 더 활발하게 하였고, 대인관계능력도 더 많이 향상된 것으로 나타났다. 따라서, 상호협력활동이 대인관계에 영향을 준다는 점을 시사함을 알 수 있다.
종합적인 분석 결과, 개방성과 문제해결을 위한 상상, 생산적 회의성이 서로 상관관계가 높으며, 그 중심에는 문제해결을 위한 상상력이 있음을 알 수 있다. 또한 문제해결지속성과 정보과학적 흥미, 개방성, 문제해결을 위한 상상력도 서로 상관관계가 높은 것을 알 수 있다.
첫째, Windows, Mac OS, Linux와 같은 다양한 OS를 지원하며, 아두이노 통합개발환경(IDE)을 설치하면, USB 케이블을 통해 컴파일 및 업로드를 쉽게 할 수 있다.
첫째, 처음수업은 하나씩 천천히 생각할 수 있는 활동으로 구성한다.
통합적 사고 성향의 요소별 대응표본 t-검정으로 분석한 결과, 와 같이 문제해결 지속성의 향상이 유의확률 0.05 수준에서 유의한 것으로 분석되었으며, 생산적 회의성은 0.06으로 유의함에 근접한 것으로 나타났다.
해팀의 학생은 수업 후 로봇 시연 활동을 성공적이고 가장 빨리 성공한 팀으로서 조립보다는 아두이노 보드와 블루투스 모듈 및 모터드라이브 보드와의 점퍼선 연결을 더 능숙하게 하고 앱을 설치하여 로봇을 조정하는 활동에 성공하였으며, 대인관계 능력도 가장 많이 향상된 것으로 나타났다. 처음부터 끝까지 적극적인 활동과 서로 간의 긴밀한 협조가 이루어진 팀이었다.
흥미도 조사는 수업 이후에 한 것으로서, 수업결과와 연관지어 살펴보면, 아두이노 수업 기기에 대한 흥미도가 높은 학생은 조립과 장치 연결 활동에 활발하게 활동함을 알 수 있으며, 대인관계능력도 더 많이 향상됨을 알 수 있었다.
흥미도와 대인관계능력 검사의 상관관계를 분석하여 보면, 아두이노 수업에 재미를 느끼고 열심히 참여하는 학생일수록 만족도가 높았다. 조립시간이 재미있다고 느낀 학생은 개방성이 향상되었다.
후속연구
문제를 해결하기 위해 자료를 수집하고 자료를 분석 후 적당한 방법으로 표현하는 것, 복잡한 문제의 해결을 위해 분석한 내용을 더 작게 나누는 것, 문제의 해결과정에서 문제에서 유추되는 일정한 패턴을 찾아 알고리즘화하고 프로그램으로 구현하여 시뮬레이션하고 가상으로 결과를 예측하는 것, 병렬화로 처리하는 것, 다시 오류를 발견하고 수정하는 것 등을 모두 포함한다고 할 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
블루투스란?
블루투스(Bluetooth)란 근거리에서 무선으로 데이터를 주고받을 수 있는 통신 기술로, 비교적 전력 소모가 적어서 배터리로 전원을 공급해야 하는 응용분야에서 사용되는 무선 통신 기술이다.
피지컬컴퓨팅이란?
피지컬컴퓨팅이란, 아날로그 세계를 감지할 수 있는 컴퓨터 소프트웨어와 하드웨어를 사용하여 컴퓨터와 인간이 상호작용이 가능한 물리시스템을 구축하는 것을 의미한다.
컴퓨팅 사고에는 어떤 것이 포함되는가?
문제를 해결하기 위해 자료를 수집하고 자료를 분석 후 적당한 방법으로 표현하는 것, 복잡한 문제의 해결을 위해 분석한 내용을 더 작게 나누는 것, 문제의 해결과정에서 문제에서 유추되는 일정한 패턴을 찾아 알고리즘화하고 프로그램으로 구현하여 시뮬레이션하고 가상으로 결과를 예측하는 것, 병렬화로 처리하는 것, 다시 오류를 발견하고 수정하는 것 등을 모두 포함한다고 할 수 있을 것이다.
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